基于圖模組態(tài)場(chǎng)景的配電網(wǎng)仿真測(cè)試方法及其應(yīng)用

潘 鵬， 薛大立，鄭 圣

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司 ，浙江 溫州 325000）

基于圖模組態(tài)場(chǎng)景的配電網(wǎng)仿真測(cè)試方法及其應(yīng)用

潘 鵬， 薛大立，鄭 圣

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司 ，浙江 溫州 325000）

基于IEC 61970/61968標(biāo)準(zhǔn)建立配電網(wǎng)模型，通過(guò)友好的圖形界面交互，進(jìn)行正常態(tài)和故障態(tài)下配電網(wǎng)的模擬仿真。以計(jì)劃表進(jìn)行故障和異常場(chǎng)景的重現(xiàn)，以應(yīng)用池作為各種場(chǎng)景的組態(tài)，利用配電網(wǎng)仿真場(chǎng)景技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化主站進(jìn)行測(cè)試，并在溫州供電公司配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)中進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試應(yīng)用。

配電網(wǎng)自動(dòng)化；三相不平衡潮流計(jì)算；公共信息模型；配電網(wǎng)仿真；場(chǎng)景組態(tài)

隨著溫州供電公司配電網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)配網(wǎng)）自動(dòng)化主站系統(tǒng)SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）等功能的建設(shè)完成，配網(wǎng)二次廠站設(shè)備的逐步接入，對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)整體工作能力的有效性提出了新的挑戰(zhàn)。自動(dòng)化廠站設(shè)備的安裝旨在提升電網(wǎng)自動(dòng)化水平，進(jìn)而提升電網(wǎng)可靠性。結(jié)合目前實(shí)際情況，對(duì)于自動(dòng)化廠站設(shè)備的安裝能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，尚缺乏有效的衡量手段。在現(xiàn)實(shí)配網(wǎng)中，很難重現(xiàn)一個(gè)指定類(lèi)型的故障，而模擬復(fù)雜的多重故障或者按一系列時(shí)序發(fā)生的故障則更難，而這些對(duì)于測(cè)試配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)的故障處理能力具有重要意義。

1 配網(wǎng)仿真測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

目前基于配網(wǎng)的IEC 61968標(biāo)準(zhǔn)的交互在國(guó)內(nèi)應(yīng)用越來(lái)越成熟，以源端數(shù)據(jù)唯一、全局?jǐn)?shù)據(jù)共享為出發(fā)點(diǎn)，采用從PMS（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）建模，通過(guò)CIM/SVG（公共信息模型/可擴(kuò)展矢量圖形）生成模型和圖形文件，并導(dǎo)出至SCADA和主站測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)圖模的完全一致。通過(guò)建立二次廠站設(shè)備模型，利用潮流、短路等配網(wǎng)仿真技術(shù)來(lái)模擬配網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)規(guī)約實(shí)現(xiàn)與主站系統(tǒng)的通信功能，可以驗(yàn)證自動(dòng)化廠站的安裝是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。仿真測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 建立配網(wǎng)模型

可以通過(guò)圖形化交互方式建立配網(wǎng)模型，也可以采用符合IEC 61970/61968標(biāo)準(zhǔn)的CIM/SVG數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式建立配網(wǎng)模型。整個(gè)建模過(guò)程以建模準(zhǔn)確、模型完整、過(guò)程簡(jiǎn)便高效為目的。使用基于IEC 61968/61970標(biāo)準(zhǔn)的集成配網(wǎng)信息交換總線，從配網(wǎng)GIS系統(tǒng)獲取IEC 61970 CIM標(biāo)準(zhǔn)模型,按照電力系統(tǒng)資源的層次結(jié)構(gòu)和設(shè)備分類(lèi)來(lái)建立電網(wǎng)物理模型。建立電網(wǎng)模型時(shí)，可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)所有單饋線以聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)為分界的模型數(shù)據(jù)拼接。

在電網(wǎng)模型建立過(guò)程中，除了建立電網(wǎng)層次模型外，還要錄入饋線設(shè)備參數(shù)，包括斷路器型號(hào)、線纜類(lèi)型與長(zhǎng)度、配電變壓器類(lèi)型與容量等。這些參數(shù)的準(zhǔn)確錄入，是進(jìn)行配網(wǎng)仿真的基礎(chǔ)。參照IEC 61970 CIM標(biāo)準(zhǔn)模型，將電力設(shè)備按照層次結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)類(lèi)。一個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)CIM模型中的一個(gè)類(lèi)對(duì)象，通過(guò)將電網(wǎng)內(nèi)所有電力設(shè)備對(duì)象化，不同設(shè)備具有不同屬性、操作方法和行為。饋線拓?fù)湓O(shè)備包括架空線、電纜、電纜接頭、開(kāi)關(guān)（含出線開(kāi)關(guān)、分段開(kāi)關(guān)、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)）、電容器、調(diào)壓器、變壓器、等效負(fù)荷、等效電源、母線、桿塔（作為拓?fù)涔?jié)點(diǎn)），通過(guò)建立模型將電力設(shè)備抽象為具體的設(shè)備對(duì)象，以拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)組織這些設(shè)備對(duì)象，以設(shè)備間的連接關(guān)系展現(xiàn)電力設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)系。

建立配網(wǎng)一次模型后，通過(guò)圖形化方式建立二次設(shè)備模型，并通過(guò)選中圖中二次設(shè)備模型FTU/TTU（饋線終端設(shè)備/配變終端設(shè)備）和開(kāi)關(guān)/負(fù)荷建立關(guān)聯(lián)，錄入站地址、IP地址、端口號(hào)、規(guī)約類(lèi)型、規(guī)約廠家、開(kāi)關(guān)的過(guò)流定值、過(guò)流持續(xù)時(shí)間、遙測(cè)、遙信、遙控點(diǎn)號(hào)等參數(shù)，形成一個(gè)圖模一體化的工程文件。

3 配網(wǎng)仿真測(cè)試

完成配網(wǎng)建模后，為了將配網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和建模狀態(tài)有效區(qū)分開(kāi)，可采用配網(wǎng)運(yùn)行仿真態(tài)來(lái)模擬配網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程。在運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)各個(gè)負(fù)荷按照負(fù)荷曲線在線路中產(chǎn)生能量流，F(xiàn)TU/ TTU等設(shè)備采集負(fù)荷及開(kāi)關(guān)等實(shí)時(shí)運(yùn)行量并按照配置將量測(cè)量上送到配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)。在仿真狀態(tài)下，所建立的配網(wǎng)是一個(gè)活的電網(wǎng)，電網(wǎng)中所有參與的元件按照既定規(guī)則運(yùn)行著，各個(gè)元件的運(yùn)行狀況與實(shí)際電網(wǎng)相符。

為了達(dá)到配網(wǎng)仿真計(jì)算效果，選取三相不平衡潮流進(jìn)行計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到運(yùn)行計(jì)算的速度，在對(duì)初始配網(wǎng)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化和降階處理的基礎(chǔ)上采用基本的“前推-回代”方法，保證了系統(tǒng)潮流計(jì)算的高效性。

由于傳統(tǒng)的“前推－回代”方法中沒(méi)有考慮環(huán)形網(wǎng)絡(luò)、故障情況下潮流分步、多電壓等級(jí)等問(wèn)題，所以采用“補(bǔ)償矩陣”的方法加以解決，使得基于“前推－回代”的潮流計(jì)算完全能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)中任意結(jié)構(gòu)的配網(wǎng)，保證了基礎(chǔ)分析的高效、精確和普遍適應(yīng)性。

4 圖模組態(tài)場(chǎng)景

配網(wǎng)自動(dòng)化是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括廠站設(shè)備、通信系統(tǒng)、主站軟件等，其中廠站設(shè)備是配網(wǎng)自動(dòng)化的前端，廠站設(shè)備采集的信息能否被主站軟件順利處理直接決定了配網(wǎng)自動(dòng)化成功與否。為了模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，采用圖模的方式來(lái)模擬FTU/TTU/DTU（開(kāi)閉所終端設(shè)備）等廠站設(shè)備，并將FTU與開(kāi)關(guān)、TTU與負(fù)荷進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的保護(hù)邏輯動(dòng)作和信號(hào)，如開(kāi)關(guān)過(guò)流會(huì)產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)，超過(guò)了閥值會(huì)跳閘等。

為了重現(xiàn)配網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的各種故障現(xiàn)象和非健全信息，考慮到靈活性，采用按類(lèi)型劃分現(xiàn)象，將單種情況計(jì)入計(jì)劃表，然后再將計(jì)劃表中各種故障情況投入到應(yīng)用池中來(lái)進(jìn)行各種場(chǎng)景的組合和重現(xiàn)。計(jì)劃表中包括故障、開(kāi)關(guān)、RTU、遙測(cè)、遙信5種類(lèi)型，能夠設(shè)置故障的地點(diǎn)、發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。故障類(lèi)型可以模擬產(chǎn)生單相、多相、短路、接地故障，開(kāi)關(guān)類(lèi)型可以模擬產(chǎn)生拒動(dòng)操作，RTU類(lèi)型可以模擬報(bào)文丟失和校驗(yàn)錯(cuò)誤，遙測(cè)類(lèi)型可以對(duì)遙測(cè)量產(chǎn)生（k，b）系數(shù)的校正、漸變和無(wú)效，遙信類(lèi)可以對(duì)遙信量產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)、置位和無(wú)效的設(shè)置。通過(guò)將這些故障或者非健全信息組合投入到應(yīng)用池中，然后按照固定時(shí)序逐個(gè)觸發(fā)這些場(chǎng)景，在發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)中配網(wǎng)模型的各個(gè)元件能夠根據(jù)故障電流及過(guò)流閥值進(jìn)行動(dòng)作，完成故障的切除等工作。在故障發(fā)生及切除的過(guò)程中，所有元件（比如開(kāi)關(guān)）的信息都會(huì)實(shí)時(shí)上送到配網(wǎng)自動(dòng)化主站。靈活地組建各種場(chǎng)景，就能模擬各種配網(wǎng)故障和異常現(xiàn)象。

5 應(yīng)用實(shí)例

在對(duì)溫州供電公司配網(wǎng)自動(dòng)化主站的測(cè)試中，進(jìn)行了幾類(lèi)典型場(chǎng)景的模擬。在測(cè)試平臺(tái)中設(shè)置典型的故障及發(fā)生時(shí)序，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)定的計(jì)劃發(fā)生相應(yīng)的事件，并向主站發(fā)出SOE（事件順序）等各類(lèi)信息。

在圖2所示電纜線路中，DATS-2000配網(wǎng)故障測(cè)試裝置分別接入溫西變10 kV出線保護(hù)、1號(hào)環(huán)網(wǎng)柜A1和A2及出線B1的DTU上，模擬測(cè)試以下故障類(lèi)型的場(chǎng)景：

（1）模擬電纜線路干線故障。故障點(diǎn)設(shè)置在A2-A3之間，在S1，A1和A2處加入故障信號(hào)，模擬正常負(fù)荷，并按方案同步注入過(guò)電流信號(hào)；查驗(yàn)并記錄系統(tǒng)的故障處理過(guò)程。

（2）模擬環(huán)網(wǎng)柜母線故障。故障點(diǎn)設(shè)置在1號(hào)環(huán)網(wǎng)柜母線A1和A2之間，在S1和A1處加入故障信號(hào)，模擬正常負(fù)荷，并按預(yù)訂方案同步發(fā)生過(guò)電流；查驗(yàn)并記錄系統(tǒng)的故障處理過(guò)程。

（3）模擬環(huán)網(wǎng)柜出線故障。故障點(diǎn)設(shè)置在1號(hào)環(huán)網(wǎng)柜B1下游側(cè)，在S1，A1和B1處加入故障信號(hào)，模擬正常負(fù)荷并注入過(guò)電流；查驗(yàn)并記錄系統(tǒng)的故障處理過(guò)程。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出通過(guò)組建各種場(chǎng)景，能較真實(shí)地模擬各種配網(wǎng)故障和異常現(xiàn)象。配網(wǎng)自動(dòng)化主站能根據(jù)不同場(chǎng)景給出處理方案，包括故障隔離方案、故障上游恢復(fù)方案和故障下游恢復(fù)方案，不同的恢復(fù)方案有損耗、電壓以及剩余負(fù)載率指標(biāo)，并且能對(duì)不同的恢復(fù)方案進(jìn)行最優(yōu)排序。

圖2 電纜線路測(cè)試原理

表1 電纜線路測(cè)試結(jié)果

6 應(yīng)用前景

FA（饋線自動(dòng)化）在實(shí)際應(yīng)用前需確保配網(wǎng)運(yùn)行安全，在盡量少影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，采取相應(yīng)手段，模擬現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象和相關(guān)信息，驗(yàn)證系統(tǒng)的故障處理能力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到驗(yàn)收要求。本文提及的方法可用于主站注入式測(cè)試，對(duì)具有饋線故障處理功能的主站進(jìn)行仿真測(cè)試，以驗(yàn)證主站系統(tǒng)的故障處理功能，用于發(fā)現(xiàn)FA啟動(dòng)配置不準(zhǔn)確、電網(wǎng)運(yùn)行方式與實(shí)際不符、網(wǎng)絡(luò)模型TOPO關(guān)系錯(cuò)誤等問(wèn)題。調(diào)度員同時(shí)結(jié)合“三遙”開(kāi)關(guān)狀態(tài)操作，編制方案對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行有計(jì)劃性的操作，可提前發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遙控失敗的原因并進(jìn)行消缺。以上方法用于測(cè)試FA是否滿足驗(yàn)收要求，可作為FA新投饋線半自動(dòng)化模式投入依據(jù)，并逐步實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，推廣應(yīng)用后將極大促進(jìn)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)故障處理等能力的提高。

7 結(jié)語(yǔ)

配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能夠產(chǎn)生過(guò)流/失壓等多種信息，對(duì)于配網(wǎng)主站來(lái)講，發(fā)生故障時(shí)需要根據(jù)廠站設(shè)備上送的故障信息進(jìn)行故障點(diǎn)的判斷。由于故障判據(jù)國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠商開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)判據(jù)各不相同，這就有可能造成主站與廠站之間的配合出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)。通過(guò)提供故障發(fā)生時(shí)的各種信號(hào)，定義每個(gè)信息是否上送到主站，從而測(cè)試配網(wǎng)主站的故障判據(jù)，為配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備的選擇提供可靠依據(jù)。通過(guò)圖模組態(tài)產(chǎn)生的各種典型故障場(chǎng)景，可作為配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主站故障處理的有效手段。

[1]杜正春，周佃民，董繼民.考慮負(fù)荷電壓靜特性的最佳乘子牛頓潮流算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（1）∶102-105.

[2]JASMIN BLANCEHETTE，MARK SUMMERFIELD.C++ GUI Programming with QT 4[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]林公平.配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1998，22（4）∶64-68.

（本文編輯：方明霞）

Simulation Test Method of Distribution Network Based on Graphic Model Configuration and Its Application

PANG Peng，XUE Dali，ZHENG Sheng
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

A distribution network model is established based on IEC 61970/61968 to simulate the distribution network in normal state and failure state through friendly graphic interface interaction.The fault and abnormity scenes are reflected with the schedule，and the application pool is used as configuration of various scenes. The automated master stations of distribution networks are tested via distribution network simulation scene technology；besides，the technology is applied to the practical test in construction of the distribution network automation system of Wenzhou Power Supply Company.

distribution network automation；three phase unbalanced power flow calculation；common information model；distribution network simulation；scene configuration

TM76

：B

：1007-1881（2016）05-0057-03

2016-01-06

潘 鵬（1983），男，工程師/技師，從事電力信息安全管理工作。